Neste capitulo estão descritos os materiais que compõem o filme laminado estudado, os processamentos envolvidos e as técnicas de ensaios realizadas para a análise dos resultados da reciclagem das embalagens stand-up pouch (SUP).
3.1 MATERIAIS
Os materiais utilizados no estudo deste trabalho foram os filmes de embalagem stand-up pouch (SUP) com a seguinte composição: • 11,2% de Poli(tereftalato de etileno) (PET); • 11,6% de poliamida (PA); • 69,5% de polietileno (PE); e • 7,7% de tintas e adesivos. Os filmes foram fornecidos já estruturados (laminado) pela empresa BEMIS, tendo como destino o acondicionamento de produtos cosméticos.
Figura 10: Estrutura das camadas que compõem o filme da embalagem stand-up pouch
3.2 MÉTODOS
Este sub-capítulo descreve os métodos utilizados nas etapas de coleta, fragmentação, aglutinação, moagem, extrusão, moldagem dos corpos de prova e caracterização do material. poli(tereftalato de etileno) (16,8g/m2) primer (0,8g/m2) tinta (3g/m2) polietileno (104g/m2) adesivo (3,8g/m2) poliamida (17,4g/m2) adesivo (3,8g/m2)
OBTENÇÃO DO MATERIAL PÓS-INDUSTRIAL
As amostras de embalagens stand-up pouch (SUP) foram fornecidas, pela empresa Bemis, em seu formato original, antes dos processos de corte e vinco e envase, em bobinas. Foram obtidos 10 kg de filmes flexíveis com impressão gráfica e 10 kg sem impressão gráfica. Os materiais não tiveram contaminação de produto. Além dos filmes já laminados (com e sem decoração gráfica), também foram fornecidos 07 kg de cada filme da composição da estrutura do SUP, ou seja, 07 kg filme de PE, 07 kg de filme de PA e 07 kg de filme de PET.
FRAGMENTAÇÃO DAS AMOSTRAS A PARTIR DAS BOBINAS PARA EMBALAGENS SUP
As bobinas recebidas foram cortadas em tiras em um equipamento de fragmentação de papel industrial de pequeno porte, conforme fotografia 01. A fragmentação dos filmes plásticos foi necessária para se obter um material de menor tamanho, possível de ser aglutinado.
Fotografia 01: Fragmentador de papel
AGLUTINAÇÃO DOS MATERIAIS FRAGMENTADOS
Os materiais cortados em tiras foram aglutinados no equipamento KIE Mod. AK40, para que fosse obtido um material compactado de maior densidade. Conforme equipamento ilustrado na fotografia 02.
Fotografia 02: Equipamento para aglutinação
MOAGEM DOS MATERIAIS AGLUTINADOS
Após a etapa de aglutinação foi realizada a moagem dos materiais no equipamento SEIBT, modelo 270, conforme mostrado na fotografia 03. A moagem foi feita para se obter um material de menor granulometria, pequena o suficiente para facilitar a etapa de processamento por extrusão.
EXTRUSÃO DOS MATERIAIS MOIDOS
A extrusão dos materiais foi feitas no equipamento reômetro da HAAKE modelo 5000, com acessório para extrusão modelo RHEOMEX 252 de rosca simples. Os materiais foram extrudados para garantir que os materiais flexíveis laminados que compunham o filme da embalagem SUP - (polietileno, poli(tereftalato de etileno) e poliamida), fundissem, formando uma mistura mais homogenia e em formato de grão (pellets), para uma futura moldagem dos corpos de prova por injeção.
No processo de extrusão foram obtidas diferentes amostras variando o tempo de secagem do material e as temperaturas de extrusão até chegar à condição ideal de processamento, conforme condições de processamento apresentadas na tabela 12. Após determinada a condição ideal para o processamento, esta foi mantida para a extrusão dos materiais decorados. Na fotografia 04 é mostrado o equipamento de extrusão utilizado.
Tabela 12: Parâmetros de processamento na etapa de extrusão Parâmetros de Processamento Temperaturas (ºC) 200 – 220 – 230 – 260 Velocidade da rosca (RPM) 70
AGLUTINAÇÃO DOS MATERIAIS EXTRUDADOS NO MISTURADOR DE ALTA VELOCIDADE
As quatro amostras obtidas, em diferentes condições de extrusão, não tiveram uma uniformidade de diâmetro e espessura que permitisse a moldagem por injeção. Decidiu- se aglutinar o material novamente, utilizando o misturador de alta velocidade. Esta etapa foi conduzida no homogeneizador (Drais) da MH, modelo MH-1000, conforme a fotografia 05.
Fotografia 05: Misturador de alta velocidade
MOAGEM DOS MATERIAIS AGLUTINADOS NO MISTURADOR DE ALTA VELOCIDADE
Os materiais aglutinados no misturador de alta velocidade foram novamente moídos para se obter um material pequeno e uniforme, com o tamanho suficiente para ser processado na extrusora. Utilizou-se o mesmo equipamento utilizado anteriormente (SEIBT, modelo 270) para a moagem do produto.
MOLDAGEM POR INJEÇÃO DOS MATERIAIS EXTRUDADOS PARA OBTENÇÃO DE CORPOS DE PROVA
Antes de iniciar a etapa de injeção dos corpos de prova, os materiais permaneceram por 24 horas a 80ºC em estufa com circulação de ar. Pois, já havia sido observado, na etapa de extrusão, que o material tinha facilidade para a retenção de água.
Depois de seco, os materiais foram injetados utilizando-se uma injetora ROMI, modelo PRIMAX 65R com capacidade máxima de injeção de 134cm3 e diâmetro de rosca de 35mm. As temperaturas utilizadas no processamento foram: 240ºC no bico, 210ºC zona 2, 170ºC zona 3 e 150ºC na zona de carregamento. Não houve variação de temperatura para os dois moldes de corpos de prova utilizados. As demais condições de processamento estão descritas na tabela 13.
Tabela 13: Parâmetros de processamento na etapa de moldagem por injeção - SUP Configuração CP
Tração
Configuração CP Flexão
Pressão de Injeção (MPa) 100 100
Pressão de Recalque (MPa) 110 110
Dosagem (cm3) 19 33
Tempo de Resfriamento (seg.) 25 55
Vazão (cm3/seg.) 70 70
Tempo de Recalque (seg) 2,45 2,40
A figura 11, nos permite uma visualização macro e facilitada das etapas e processos que foram envolvidos no projeto, nos dando um panorama das mudanças físicas das quais sofrem os materiais no processo de reciclagem mecânica, desde a bobina até a obtenção dos corpos de prova utilizados para a caracterização do material.
Material em bobina Material fragmentado Material aglutinado Material
moído Material palletizado Material aglutinado em equipamento de alta velocidade Material moído CAMINHO 01 CAMINHO 02
Figura 11: Fluxograma das etapas de processo
Corpos de prova
Corpos de prova
OBTENÇÃO DE CORPOS DE PROVA DOS MATERAIS SEPARADOS
Além dos corpos de prova gerados a partir do filme laminado, foram feitos corpos de prova dos materiais que compunham a estrutura SUP separadamente, com o objetivo de se entender a influência das propriedades mecânicas, térmicas, reológicas e químicas de cada um dos polímeros na blenda.
Para a obtenção destes corpos de prova foram seguidas as etapas de processo do caminho 02, apresentado na figura 11, e as condições da etapa de moldagem por injeção estão descritas nas tabelas 14 e 15.
Tabela 14: Temperaturas de processamento de moldagem por injeção - PET, PA e PE Materiais Temperaturas (ºC)
PET 260 (bico) – 230 (zona 02) – 190 (zona 03) – 180 (zona de carregamento) PA 280 (bico) – 260 (zona 02) – 230 (zona 03) – 210 (zona de carregamento) PE 210 (bico) – 190 (zona 02) – 179 (zona 03) – 150 (zona de carregamento)
Tabela 15: Parâmetros de processamento de moldagem por injeção - PET, PA e PE
PET PA PE
CP
Tração Flexão CP Tração CP Flexão CP TraçãoCP Flexão CP
Pressão de Injeção (MPa) 100 100 100 85 65 65
Pressão de Recalque (MPa) 60 60 60 60 40 40
Dosagem (cm3) 20 29 24 29 19 28
Tempo de Resfriamento (seg.) 35 55 30 50 30 50
Vazão (cm3/seg.) 90 90 80 80 100 100
CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS
Todos os ensaios feitos para a caracterização das amostras foram realizados no laboratório de caracterização de materiais da Universidade Presbiteriana Mackenzie. Seguiu-se as respectivas normas da Associação de Normas Técnicas Norte Americana - ASTM. Todas as características da resina polimérica, proveniente da reciclagem pós-industrial de embalagens SUP e das resinas separadas, foram analisadas através das suas propriedades mecânicas, térmicas, reológicas e químicas.
PROPRIEDADES MECÂNICAS
As propriedades mecânicas foram determinadas através dos ensaios de resistência à tração, flexão, impacto e dureza. Para estes ensaios, os corpos de prova permaneceram acondicionados a uma temperatura de (23 +/- 2º C), com umidade relativa de (50 +/-5%), durante 72 horas antes do início de cada teste. Os ensaios foram realizados com atmosfera padrão, obedecendo sempre às mesmas condições.
RESISTÊNCIA A FLEXÃO EM 03 PONTOS
Os ensaios de resistência à flexão foram realizados seguindo a norma ASTM D 790, no equipamento universal da MST System Corporation, modelo QTest. Neste ensaio o corpo de prova é defletido até que se quebre ou até a deformação máxima de 5%, ou o que acontecer primeiro. No ensaio de flexão foram utilizados 05 corpos de prova para cada tipo de amostra. A velocidade de deslocamento da travessa foi de 5,00 mm/min. Determinou-se a carga máxima no pico, a resistência de curvatura e a deformação até a carga máxima. O ensaio foi concluído com uma deformação de até 5%. Os resultados apresentados são a média dos valores obtidos durante o ensaio.
RESISTÊNCIA AO IMPACTO IZOD
Os ensaios de resistência ao impacto tipo Izod com entalhe foram realizados segundo a norma ASTM D 256, nos equipamentos da Tinius Olsen, modelo 892 e modelo 899 (entalhadora). No ensaio de impacto Izod foram utilizados 20 corpos de prova para cada tipo de amostra. Determinaram-se as energias necessárias para o rompimento do material e o tipo de fratura ocorrido com o impacto. Os resultados apresentados são a média dos valores obtidos durante o ensaio.
RESISTÊNCIA À TRAÇÃO
Os ensaios de resistência à tração foram realizados segundo a norma ASTM D 638, no equipamento universal da MST System Corporation, modelo QTest. Nos ensaios de tração foram utilizados 05 corpos de prova de cada amostra. A velocidade de deslocamento da travessa foi de 5,00 mm/min. Determinou-se a tensão máxima, a deformação final e o módulo de elasticidade. Os resultados apresentados são a média dos valores obtidos durante o ensaio.
DUREZA SHORE D
O ensaio de dureza Shore D foi realizado segundo a norma ASTM D 256, no durômetro da Mitutoyo, modelo Hardmatic HH-314 com medidas em unidade Shore D, com 15 corpos de prova para cada amostra. Determinou-se a resistência à penetração do material. Os resultados apresentados são a média dos valores obtidos durante o ensaio.
PROPRIEDADES TÉRMICAS
As propriedades térmicas foram determinadas através dos ensaios de temperatura de amolecimento (Vicat), temperatura de deflexão térmica sob carga (HDT) e análise dínamo- mecânica (DMA).
TEMPERATURA DE DEFLEXÃO TERMICA SOB CARGA (HDT)
O ensaio para determinar a temperatura de deflexão sob carga – HDT foi realizado seguindo a norma ASTM D 648, sendo utilizadas as condições de: 3ºC/min e 0,45 MPa de tensão. Utilizou-se o equipamento da marca Tinus Olsen, modelo HD 94/398. Foram realizados 03 ensaios para cada amostra. Determinou-se a temperatura na qual a amostra atingiu uma deflexão de 0,25 mm, que representa a Temperatura de Deflexão Térmica do material testado. Os resultados apresentados são a média dos valores obtidos durante o ensaio.
TEMPERATURA DE AMOLECIMENTO (VICAT)
O ensaio para determinar a temperatura de amolecimento (Vicat) foi realizado segundo a norma ASTM D 1525, com taxa de aquecimento de 50ºC por hora, no mesmo equipamento do teste de deflexão térmica (Tinus Olsen, modelo HD 94/398). Foram realizados 03 ensaios para cada amostra. Determinou-se a temperatura de transição vítrea das amostras analisadas. Os resultados apresentados são a média dos valores obtidos durante o ensaio.
PROPRIEDADES REOLÓGICAS
As propriedades reológicas foram determinadas através dos ensaios de índice de fluidez e análise dínamo-mecânica (DMA).
ÍNDICE DE FLUIDEZ
O índice de fluidez foi realizado no equipamento Plastômetro Tinus Olsen MP993a, segundo a norma ASTM D 1238, com carga de 2,16 kg e temperatura de 230° C. Foram testadas 03 amostras para cada uma das composições. Determinou-se a fluidez relativa das amostras. O resultado apresentado é a média dos valores obtidos durante o ensaio.
ANÁLISE DINÂMICO MECÂNICA (DMA)
A análise dinâmico mecânica foi feita utilizando-se o equipamento marca Perkin Elmer, modelo DMA 8000. Os ensaios foram realizados em 01 corpo de prova para cada amostra, com as freqüências de 01 Hz, 05 Hz, e 10 Hz e um deslocamento de 0,1 mm. Visualiza- se, através de gráficos, o comportamento mecânico de um material quando submetido a forças dinâmicas com temperaturas controladas.
PROPRIEDADES QUÍMICAS
As propriedades químicas foram determinadas através dos ensaios de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de absorção na região do infravermelho.
MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV) E ANÁLISE POR ENERGIA DISPERSIVA (EDS)
As imagens eletrônicas analisadas foram feitas em um Microscópio Eletrônico de Varredura JEOL JSM-6510 Scanning Microscope, acoplado ao espectrômetro por energia dispersiva - EDS, da marca THERMO SCIENTIFIC Ultra Dry. As amostras foram imersas em nitrogênio líquido e cortadas de forma a permitir a observação da seção transversal das fraturas. Em seguida, foram metalizadas com ouro, para se tornarem condutoras e permitir a visualização no microscópio. Através do EDS foi possível a determinação da composição das amostras.